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Oltre le prestazioni: risparmiare con i sistemi azionamento diretto

24 Gen 2022
Esperti di Kollmorgen


I vantaggi in termini di prestazioni dei motori ad azionamento diretto sono ben noti e documentati: performance leader nel settore, maggior accuratezza, rendimento più elevato, maggior affidabilità e funzionamento più silenzioso. Questo perché, diversamente da una configurazione di motion convenzionale, un sistema ad azionamento diretto collega il motore rotativo o lineare direttamente al carico, riducendo il numero di parti mobili nel sistema. L'eliminazione di questi pezzi, riduttore, cinghie, pulegge e componenti correlati, determina un funzionamento altamente dinamico con svariati vantaggi. Maggiori informazioni sui vantaggi della tecnologia ad azionamento diretto.

Tuttavia, un aspetto trascurato di un sistema di motion ad azionamento diretto è rappresentato dai risparmi rispetto ad un sistema tradizionale. Se si confronta il costo di un motore ad azionamento diretto con una configurazione tradizionale, l'azionamento diretto sembrerebbe essere meno economico. Ma se si fa un passo indietro e si confronta l'intero sistema nel tempo, si scopre che un sistema ad azionamento diretto rappresenta un approccio più economico rispetto ad un sistema tradizionale. Basandoci su calcoli ed esempi riferiti ai mercati statunitensi, analizziamo i risparmi di un sistema ad azionamento diretto.

Costi più contenuti per i pezzi

Eliminando ingranaggi, pulegge, guarnizioni, cuscinetti e altri componenti associati si ottiene un risparmio immediato rispetto ad un sistema convenzionale. Possiamo iniziare a pensare al costo totale del sistema e a come questi componenti possono essere dedotti dal costo del motore.

Risparmio sui costi delle parti
= Costo motore – (ingranaggi) + (cinghie di distribuzione) + (pulegge) + (madreviti) + (guarnizioni) + (cuscinetti)

I componenti della trasmissione meccanica possono costare oltre 300 dollari per ogni sistema. Questa cifra viene poi sottratta dal costo del motore. Mentre il costo iniziale di un motore ad azionamento diretto potrebbe essere superiore a quello di un motore tradizionale con trasmissione meccanica, l'eliminazione di pezzi garantisce un risparmio immediato che si traduce in altri risparmi a lungo termine una volta effettuata l'installazione.

Meno manodopera

Il minor numero di pezzi si traduce in meno manodopera poiché non occorre assemblare, montare e allineare le pulegge, i ripari, i cuscinetti, le cinghie e altri componenti del sistema. Un motore ad azionamento diretto può essere montato direttamente sulla macchina ed è auto-supportato grazie ai suoi cuscinetti. In questo modo, non solo è possibile produrre una macchina più rapidamente, ma si risparmia anche sui costi di manodopera. 

Risparmio di manodopera sull'installazione
= (costo manodopera) + (Ore) + (Numero di macchine)

I risparmi dipenderanno dall'età del sistema, dai costi di manodopera del settore e dalle ore necessarie, ma si può prevedere che con un costo di 150 dollari l'ora per due ore di lavoro su due sistemi, i costi di manodopera sarebbero di 600 dollari. Se consideriamo una sola macchina e aggiungiamo i risparmi per i pezzi di cui si è detto, il risparmio totale è di 900 dollari.

Un ulteriore risparmio è rappresentato dall'eliminazione di motori eccessivamente grandi per l'azionamento del riduttore, parliamo di una cifra che va da 500 a 1.500 dollari, con la necessità di una regolazione più precisa degli elevati carichi di inerzia. L'azionamento diretto elimina il problema del disadattamento inerziale, che determinerebbe ulteriori risparmi se lo inserissimo nel nostro calcolo.  
 

Costi di manutenzione ridotti

Se un pezzo non è presente non può usurarsi. Eliminando la trasmissione meccanica dal sistema, non occorre più sottoporre a manutenzione e sostituire i sistemi muniti di ingranaggi. Anche se sono presenti costi accessori quali approvvigionamento, ordinazione e stoccaggio di pezzi per la manutenzione, utilizzeremo la definizione più semplice di costi di manutenzione per calcolare eventuali risparmi: manodopera più pezzi. 

Possiamo formulare il calcolo in questo modo:

Costi di manutenzione
= [(ingranaggi) + (cinghie di distribuzione) + (pulegge) + (madreviti) + (guarnizioni) + (cuscinetti)] + (costo manodopera + ore)

Con questa formula vediamo che il costo di manutenzione di una trasmissione meccanica includerebbe i pezzi più il costo della manodopera per l'installazione dei pezzi. Ad esempio, se i pezzi totali sostituibili hanno un valore di 300 dollari e ci sono volute 2 ore per la loro installazione ad un costo orario di 150 dollari, i costi totali di manutenzione sono pari a 600 dollari per pezzi e manodopera. Sommando questo valore al costo dei pezzi iniziali e della manodopera per l'installazione, il costo totale sulla durata del sistema sale a 1.200 dollari.

Meno tempi di fermo, più profitti

Meno parti che richiedono meno tempo per la manutenzione riducono i tempi di fermo complessivi per una macchina, aumentando invece i profitti grazie all'incremento della produzione. Una delle spese maggiori per un'azienda è rappresentata dai tempi di fermo imprevisti. All'origine di queste spese non vi sono solo i costi di manutenzione correlati di cui abbiamo parlato in precedenza, ma anche il personale inattivo, l'impatto su altri processi e la diminuzione della produttività. Per semplificare, calcoleremo le perdite durante i tempi di fermo considerando i tempi di fermo totali, il tasso di produzione medio e i profitti lordi per ciascuna unità. 

Costi di fermo macchina
= (Durata tempi di fermo) + (Produzione unitaria persa + Costo unitario)

Qui la variabile è il tempo di esercizio effettivo. Un sistema con 10 ore di funzionamento programmato e 2 di fermo, che produce 500 unità durante questo lasso di tempo con un profitto lordo di 25 dollari per unità, subirà perdite per 3.125 dollari per le 2 ore di fermo. Anche dimezzando i tempi di fermo, ovvero riducendoli di 1 ora, si risparmieranno oltre 1.700 dollari. In totale sono almeno 2.900 dollari risparmiati finora con l'azionamento diretto.

Prestazioni migliori, maggiori produttività

L'assenza della trasmissione meccanica dal sistema grazie al collegamento diretto del motore al carico elimina isteresi, gioco o perdita di motion in qualsiasi direzione. Il vantaggio è rappresentato dalla maggior accuratezza a livello di posizione, velocità e dinamica, con miglioramenti di efficienza e prestazioni migliori. 

Esistono vari modi per quantificare i risparmi associati a prestazioni migliori. I difetti diminuiscono, la manodopera si riduce, gli ordini aumentano e così via. Tuttavia, per i nostri scopi considereremo il rendimento. A parità di condizioni fatta eccezione per la tecnologia ad azionamento diretto, consideriamo il miglioramento della produzione piuttosto che l'abbattimento dei costi attraverso il maggior rendimento.

Il rendimento si calcola dividendo l'inventario per il tempo (R = I/T). Quanto più inventario può essere processato allo stesso tempo, tanto più efficiente sarà un processo. Possiamo pensare ad un aumento del profitto lordo potenziale come alla differenza tra il processo di inventario moltiplicata per il costo unitario.

Profitti lordi
= ((lx – ly)/T) + (Costo unitario)

In questo caso possiamo sottrarre la produzione oraria di un motore tradizionale da quella di un motore ad azionamento diretto e vedere la quantità totale di prodotti realizzati. Per un cliente con una macchina per l'alimentazione di una pressa, Kollmorgen ha osservato un aumento di accuratezza da 0,002" a 0,0005". Per un altro cliente c'è stato un incremento della produttività del 13% ad alte velocità. Prendendo questo aumento come esempio, il passaggio da 500 a 565 unità all'ora a 15 dollari per unità aggiungerebbe altri 975 dollari ai profitti lordi orari. Naturalmente in questo modo si tralascerebbero i costi aggiuntivi per il materiale necessario a mantenere questo livello di produttività. Si avrebbero però più pezzi prodotti o meno tempo di esercizio e manodopera.

Per concludere

Indipendentemente dal fatto che si tratti di una nuova installazione o di un sistema esistente, un motore ad azionamento diretto può far risparmiare molto. Dai costi iniziali ad un maggior rendimento, possiamo considerare tutti questi aspetti insieme per vedere come i vari componenti lavorano in maniera olistica:
  • Risparmi sul pezzo = costo motore – [(ingranaggi) + (cinghie di distribuzione + (pulegge) + (madreviti) + (guarnizioni) + (cuscinetti)]
  • Manodopera di installazione risparmiata = (costo manodopera) * (ore) * (numero di macchine)
  • Costi di manutenzione = [(ingranaggi) + (cinghie di distribuzione) + (pulegge) + (madreviti) + (guarnizioni) + (cuscinetti)] + (costo manodopera * ore)
  • Costi per tempi di fermo = durata tempi di fermo * (produzione unitaria persa * costo unitario)
  • Profitti lordi = ((Ix – Iy)/T)*costo unitario

I guadagni più consistenti derivano dalla riduzione dei pezzi necessari per la tecnologia ad azionamento diretto. Con meno parti si riduce la necessità di manodopera per installazione e manutenzione, diminuiscono i tempi di fermo dovuti a guasti e aumentano i tempi di attività e la produzione.

Progettazione di un sistema ad azionamento diretto per la tua macchina

Considerando il sistema nel suo complesso per una durata di vita tipica, è evidente che un sistema ad azionamento diretto permette di risparmiare rispetto ad un sistema tradizionale. Tuttavia, risparmi e produttività dipenderanno dalla macchina, dalla posizione e dal settore in cui opera. È importante scegliere e adattare il sistema alle proprie esigenze e a quelle della macchina. 

Kollmorgen dispone di svariati tipi di sistemi ad azionamento diretto, con un'ampia gamma di motori, azionamenti, sistemi di retroazione e altri componenti necessari per creare una macchina più efficiente e redditizia. Prima di progettare la prossima macchina, ricordati di parlare con un esperto Kollmorgen per essere certo di sfruttare al massimo il tuo sistema.

Info sull'autore

Kollmorgen Experts

Questo blog è il risultato della collaborazione di un team di esperti di motion & automation in Kollmorgen, tra cui ingegneri, addetti al servizio clienti ed esperti di progettazione. In qualsiasi fase del vostro progetto vi troviate, noi siamo qui per aiutarvi.

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